Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ проблемы обработки видеоинформации от оперативных систем дистанционного зондирования Земли 15
1.1 Задачи межотраслевой обработки данных дистанционного зондирования 15
1.2 Общие модели геометрической обработки аэрокосмических изображений 23
1.3 Направления повышения точности пространственной привязки видеоинформации 30
1.4 Задачи радиометрического обеспечения материалов космической съемки 36
1.5 Анализ требований к выходной информационной продукции 45
1.6 Концептуальные направления повышения эффективности систем обработки данных ДЗЗ 52
1.7 Основные результаты 56
2 Геометрическое обеспечение систем обработки сканерной видеоинформации 58
2.1 Баллистическая модель координатной обработки видеоинформации спутниковых систем ДЗЗ 58
2.2 Навигационная модель самолетной съемки 67
2.3 Геометрические модели сканирующих датчиков 76
2.4 Технология субпиксельной коррекции сканерных изображений 86
2.5 Организация поэлементных координатных преобразований 94
2.6 Метрологическое обеспечение процесса геометрической обработки видеоданных 102
2.7 Основные результаты 109
Математическое обеспечение координатной привязки изображений по электронным картам 111
3.1 Информационная технология пространственной привязки видеоинформации по электронным картам 111
3.2 Математическая модель коррекции баллистических параметров и элементов ориентации 114
3.3 Регрессионная модель прецизионной координатной привязки 127
3.4 Алгоритмическое обеспечение автоматического поиска одноименных сюжетов на снимке и электронной карте 134
3.5 Организация высокоскоростной обработки векторной картографической информации 144
3.6 Основные результаты 151
Радиометрическое обеспечение данных дистанционного зондирования Земли 153
4.1 Первичная радиометрическая обработка 153
4.2 Коррекция искажений средней яркости по полю изображения 160
4.3 Устранение структурных искажений по калибровочным данным... 169
4.4 Статистические методы компенсации структурных искажений 173
4.5 Методика оценки радиометрического качества изображений 181
4.6 Основные результаты 189
Комплексирование спектрозональных спутниковых изображений 191
5.1 Технология обработки информации при комплексировании 191
5.2 Геометрическое объединение изображений, формируемых в режиме синхронной съемки 196
5.3 Модели геометрического совмещения разновременных видеоданных 204
5.4 Фотометрическое комплексирование изображений 215
5.5 Комплексирование разноспектральных данных 226
5.6 Синтез цветных снимков высокого разрешения 236
5.7 Основные результаты 242
6 Системная организация межотраслевой обработки данных ДЗЗ 246
6.1 Структурная организация высокопроизводительных программных систем обработки сканерных изображений 246
6.2 Принципы организации эффективных вычислительных процессов в программных системах 257
6.3 Планирование процессов обработки потоков видеоинформации в реальном масштабе времени 264
6.4 Замкнутая технология анализа и интерпретации изображений 269
6.5 Принципы построения электронных каталогов космических изображений 281
6.6 Система контроля и аттестация данных ДЗЗ 292
6.7 Основные результаты 299
Заключение 302
Список использованных источников 308
- Задачи межотраслевой обработки данных дистанционного зондирования
- Баллистическая модель координатной обработки видеоинформации спутниковых систем ДЗЗ
- Информационная технология пространственной привязки видеоинформации по электронным картам
- Коррекция искажений средней яркости по полю изображения
Введение к работе
Актуальность работы. Системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) начали создаваться в нашей стране и за рубежом с начала 70-х годов прошлого столетия. С этого времени разработка подобных систем была и остается приоритетным направлением космической деятельности Российской Федерации и других стран мира. Современные системы ДЗЗ, такие как NOAA, Landsat (США), Spot (Франция), «Pecypc-Ol», «Метеор-ЗМ» (Россия), позволяют выполнить съемку территорий в нескольких спектральных диапазонах с пространственным разрешением от 1 км до 10-30 мис периодичностью от 1 до 15 суток. Получаемые изображения после соответствующей обработки эффективно используются в гидрометеорологии, картографии, геологии, сельском и лесном хозяйствах, экологии, военной разведке и многих других областях человеческой деятельности [1-8].
В системах ДЗЗ важная роль отводится федеральным, отраслевым и региональным центрам приема и обработки спутниковой информации. Основными задачами этих центров являются: геометрическая коррекция и преобразование изображений в заданные картографические проекции; пространственная привязка снимков к местности; радиометрическая коррекция с целью устранения яркостных искажений и улучшения качества материалов съемки; каталогизация видеоинформации и обеспечение сетевого доступа к архивным снимкам; выдача потребителям обработанных изображений в соответствии с общепринятыми международными стандартами. Совокупность перечисленных операций принято называть межотраслевой обработкой, которая выполняется на приемных центрах с помощью специального математического и программного обеспечения. Цель межотраслевой обработки состоит в том, чтобы освободить всех потенциальных потребителей спутниковой информации от реализации сложных технологий коррекции изображений, для чего требуются глубокие знания принципов формирования видеоданных в условиях орбитального полета, структур бортовых сканирующих устройств, навигационного обеспечения процессов съемки, форматов передаваемой информации и др. [11-14].
Современные концепции развития систем ДЗЗ ориентированы на создание многофункциональных средств космического мониторинга Земли, расширение номенклатуры источников видеоинформации, повышение детальности съемки и на более качественное геоинформационное обеспечение потребителей. В свете этих концепций остро стоит вопрос о совершенствовании технологий межотраслевой обработки спутниковых изображений.
В настоящей диссертационной работе дается теоретическое обобщение и решение крупной научно-технической проблемы, связанной с созданием многофункционального математического и программного обеспечения межотраслевой обработки изображений от существующих и вновь проектируемых систем ДЗЗ. Работа нацелена на достижение мирового уровня использования данных ДЗЗ в части удовлетворения постоянно растущих требований потребителей по оперативности, точности и качеству результатов обработки, что в конечном счете определяет рентабельность дорогостоящих систем космического наблюдения Земли.
Степень разработанности проблемы. Значительный вклад в решение рассматриваемой проблемы внесли отечественные и зарубежные ученые: Арманд Н.А., Асмус В.В., Журкин И.Г., Злобин В.К., Лукьященко В.И., Поли-щукГ.М., Селиванов А.С., Ярославский Л.П., Kronberg P., Pratt W., Huang X., Rosenfeld A., Jordan L. и др. Их работы в области дистанционного зондирования и цифровой обработки изображений составляют теоретическую основу для решения поставленных задач. Однако область знаний, связанная с обработкой космических снимков непрерывно развивается: системы наблюдения Земли и средства обработки изображений постоянно совершенствуются; объемы поступления видеоданных с каждым годом значительно возрастают; требования потребителей к точности, скорости и уровням обработки неуклонно повышаются. Это, в свою очередь, требует постоянного развития систем межотраслевой обработки данных ДЗЗ.
Задачи межотраслевой обработки спутниковых изображений рассматривались ранее в нескольких докторских диссертациях. В работе Е.А.Лупяна
центральное место занимали вопросы автоматизации процессов архивации видеоинформации и ее телекоммуникационного распространения потребителям. В работе В.Н.Воронкова исследовался аппаратно-технологический аспект организации межотраслевой обработки информации модуля «Природа» ОКС «Мир». Работа В.В.Еремеева была посвящена методам и технологиям мультипроцессорной обработки данных ДЗЗ. В докторской диссертации В.И.Хижниченко нашла теоретическое обобщение проблема геометрической коррекции сканерных изображений. Вместе с тем вопросы создания функционально полного математического обеспечения, комплексно реализующего все стадии обработки, начиная от анализа исходной информации и кончая получением выходной информационной продукции, еще не получили своего всестороннего решения.
Одной из особенностей известных технологий задачи межотраслевой обработки является их ориентация на конкретные спутниковые системы, что сужает область практического использования полученных результатов. Поэтому важной проблемой является проектирование математического обеспечения, некритичного к техническим и функциональным характеристикам систем ДЗЗ.
Недостаточно исследованными являются задачи, связанные с созданием новых методов и технологий высокоточной геометрической и радиометрической коррекции, а также пространственной привязки материалов космической съемки. Крайне слабо в публикациях отражена проблема комплексирования спектрозональных изображений, т.е. синтеза изображений с улучшенными техническими или изобразительными характеристиками из нескольких снимков одной и той же сцены либо из набора снимков, имеющих общие области и покрывающих требуемую территорию.
Практически отсутствуют работы по организации высокоскоростной обработки видеоинформации на современной вычислительной технике. В то же время постоянное повышение скорости и объемов передаваемых данных ДЗЗ требует создания высокопроизводительных технологий их обработки. Сегодня скорость поступления спутниковой информации составляет 128 Мбит/с
и более, а информационная емкость регистрируемого за один сеанс связи файла достигает 10 Гбайт [13, 14]. Необходимо выполнить комплексную обработку такого объема информации не более чем за 30 мин. после ее приема [18, 19].
Цель диссертации состоит в создании многофункционального математического обеспечения, охватывающего все стадии и задачи межотраслевой обработки видеоинформации от существующих и вновь разрабатываемых систем ДЗЗ, и проектировании на этой основе программного обеспечения с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками для федеральных, отраслевых и региональных центров страны.
Задачи исследований. Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:
разработки унифицированного геометрического обеспечения систем обработки аэрокосмической видеоинформации;
проектирования математического обеспечения высокоавтоматизированной координатной привязки изображений;
разработки высокоточного радиометрического обеспечения данных дистанционного зондирования Земли;
разработки моделей комплексирования спектрозональных спутниковых изображений;
эффективной системной организации процессов межотраслевой обработки данных ДЗЗ.
Научная новизна выносимых на защиту результатов определяется четырьмя концептуальными положениями по созданию новых высокоэффективных систем межотраслевой обработки данных ДЗЗ.
Первое положение - это создание унифицированного математического и программного обеспечения, некритичного к функциональным и техническим характеристикам различных систем ДЗЗ, с целью преемственности технологий обработки информации от существующих и вновь проектируемых аэрокосмических систем наблюдения Земли.
Второе положение - это создание функционально полного математиче-
ского и программного обеспечения, позволяющего в едином технологическом процессе решить все задачи межотраслевой обработки, в том числе и задачу метрологической аттестации результатов обработки.
Третье положение — это создание математического обеспечения, удовлетворяющего современным требованиям потребителей по точности, качеству и уровням межотраслевой обработки данных ДЗЗ.
Четвертое положение - это создание математических и программных средств, которые обеспечивают межотраслевую обработку потоков видеоданных в темпе их поступления от систем ДЗЗ с высоким уровнем автоматизации.
Конкретно на защиту выносятся следующие новые научные результаты:
1) геометрическое обеспечение межотраслевой обработки аэрокосмиче
ских изображений, включающее:
высокоточные модели геометрической коррекции аэрокосмических снимков;
унифицированные модели существующих и вновь проектируемых сканирующих устройств;
модели коррекции субпиксельных искажений и высокоскоростного трансформирования снимков;
методику численной оценки точности геометрической обработки;
2) математическое обеспечение высокоавтоматизированной координат
ной привязки видеоданных по электронным картам:
модель уточнения геодезической привязки протяженных маршрутов съемки по минимальному числу опорных точек;
аналитико-регрессионная модель прецизионной обработки;
алгоритмы автоматической идентификации одноименных объектов на снимке и карте;
3) радиометрическое обеспечение данных ДЗЗ, включающее:
модели первичной и яркостной коррекции снимков;
калибровочные и статистические методы компенсации структурных искажений;
методику оценки радиометрического качества видеоинформации;
4) технологии комплексирования спектрозональных изображений:
модели бесшовного геометрического объединения и совмещения разновременных и изображений, формируемых в режиме синхронной съемки;
способ высокоточного фотометрического комплексирования отдельных снимков;
технология комплексирования разнозональных данных;
технологии синтеза цветных снимков;
5) системная организация межотраслевой обработки данных ДЗЗ, а имен
но:
структурная и информационная организация высокопроизводительных программных систем и электронных каталогов;
принципы повышения эффективности вычислительных процессов и планирование обработки в реальном масштабе времени;
замкнутая технология интерпретации изображений.
Практическая ценность работы. На основе разработанных математи
ческих методов, моделей, алгоритмов и информационных технологий спроек
тировано семейство программных систем межотраслевой обработки сканерных
изображений: NormSat, NormScan, NoaaSat, NormSatReg, BankSat и TmVision.
Эти системы функционируют на Федеральном центре Росавиакосмоса
в г. Москве; на отраслевых центрах Росгидромета в городах Обнинске, Долго
прудном, Новосибирске; региональном центре Югорского НИИ г. Ханты-
Мансийска и используются для обработки изображений от космических систем
«Ресурс-01», «Океан-О», «Метеор-ЗМ», «Монитор-Э», модуля «Природа» ОКС
«Мир», NOAA и самолетного сканера «Агрос».
На их основе впервые в отечественной практике реализованы замкнутые технологии, включающие генерацию выходной информационной продукции в соответствии с принятыми в мировой практике уровнями обработки, контроль и коррекцию геопривязки, оценку качества видеоинформации, каталогизацию и сетевой доступ потребителей к архивам видеоданных.
Достоверность полученных результатов подтверждена математическим и имитационным моделированием, сопоставлением альтернативных подходов, данными приемо-сдаточных испытаний и многолетней эксплуатации спроектированных систем межотраслевой обработки информации от спутников серии «Pecypc-Ol», «Океан-О», «Метеор-ЗМ» и др.
Реализация и внедрение. Диссертационная работа включает в себя исследования, выполненные в Рязанской государственной радиотехнической академии, в рамках:
государственных контрактов с Российским авиационно-космическим агентством № 851-4718/96 и № 912-1019/97;
грантов Российского Фонда фундаментальных исследований, проекты 94-07-01569 и 01-01-00447;
НИОКР: №25-95, №15-97, №25-98, №13-98, №17-98, №11-99, № 23-99, № 4-00, № 16-02, № 5-02, № 23-02, в которых автор являлся заместителем руководителя и ответственным исполнителем.
Результаты диссертационной работы в виде математического и программного обеспечения внедрены в Российском НИИ космического приборостроения, Научном центре оперативного мониторинга Земли, НИИ точных приборов, Научно-исследовательском центре космической гидрометеорологии «Планета», Государственном проектно-изыскательском институте земельно-кадастровых съемок.
Апробация работы. Результаты исследований, составляющие основное содержание диссертации, докладывались на 10 Международных и 7 Всероссийских конференциях и семинарах:
Всесоюзн. школе-семинаре «Прикладное программное обеспечение ЭВМ архитектурной линии СМ-1/СМ-2, АСВТ ПС» (г. Калинин, 1986 г.), Регион, н.-техн. семинаре «Многопроцессорные вычислительные системы» (г. Таганрог, 1987 г.), Всесоюзн. н.-тех. конф. «Методы и средства дистанционного зондирования Земли и обработки космической информации в интересах народного хозяйства» (г. Рязань, 1989 г.), Всесоюзн. н.-тех. семинаре «Разработка систем-
ного и прикладного программного обеспечения МВК ПС-2000/2100, ПС-3000/3100» (г.Москва, 1990 г.), 3-й и 4-й Междунар. конф. «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для контроля и диагностики окружающей среды» (г. Москва, 1996 г., 1998 г.), Междунар. конф. «Информационные системы в науке-95» (г. Москва, 1995 г.), Всероссийск. конф. «Новые информационные технологии в научных исследованиях и радиоэлектроники» (г. Рязань, 1996 г.), 1-й, 2-й и 3-й Междунар. н.-тех. конф. «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» (г. Рязань, 1997 г., 1998 г., 2000 г.), Междунар. конф. «Распознавание-97» (г.Курск, 1997г.), 8-м и 10-м Междунар. н.-тех. семинаре «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (г. Рязань, 1999 г., 2001 г.), Всероссийск. конф. «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (г. Рязань, 2001 г., 2002 г.), Междунар. космич. конф. 2001 «Космос без оружия - арена мирового сотрудничества в XXI веке» (г. Москва, 2001 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 80 работ: 41 статья, 1 патент на изобретение, 2 справочных пособия по космическим системам «Ре-cypc-Ol» № 4 и «Метеор-ЗМ» № 1, 35 тезисов докладов на международных и Всероссийских конференциях и семинарах, 1 методическое указание к лабораторному практикуму.
Личный вклад соискателя по опубликованным материалам состоит в следующем:
в работах [14, 18, 19, 24, 86, 99, 120, 122, 192, 195] соискателем предложена общесистемная организация и формальное описание основных технологических операций, выполняемых при межотраслевой обработке аэрокосмической видеоинформации;
в работах [74, 75, 76, 85, 90-92, 119, 121, 124, 125, 129, 130, 149, 155, 156, 167] соискателем разработаны методы и математические модели геометрического и радиометрического обеспечения процессов получения выходных информационных продуктов стандартных уровней обработки, совместно с соав-
торами выполнены их алгоритмизация и теоретико-экспериментальные исследования;
в работах [47, 73, 96, 97, 102-105, 133, 134, 137, 141, 148, 157-160, 162-166, 169] соискателю принадлежат идеи и математические модели, лежащие в основе процедур комплексирования и координатной привязки изображений по электронным картам;
в публикациях [98, 117, 127, 140, 144-147, 172-174, 180-184, 190-195] соискателем разработаны алгоритмы, структурные решения и информационные технологии, ориентированные на повышение точности, качества и производительности математического и программного обеспечения систем межотраслевой обработки изображений;
работы [123, 126, 128, 131, 139, 142, 143, 168, 175] выполнены без соавторов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения, которое содержит документы о внедрении и практическом использовании результатов. Общий объем работы составляет 335 стр., в том числе: основное содержание — 260 стр., 85 рисунков, 9 таблиц, список литературы на 21стр. (195 наименований), приложение - 7 стр.
Задачи межотраслевой обработки данных дистанционного зондирования
Апробация работы. Результаты исследований, составляющие основное содержание диссертации, докладывались на 10 Международных и 7 Всероссийских конференциях и семинарах:
Всесоюзн. школе-семинаре «Прикладное программное обеспечение ЭВМ архитектурной линии СМ-1/СМ-2, АСВТ ПС» (г. Калинин, 1986 г.), Регион, н.-техн. семинаре «Многопроцессорные вычислительные системы» (г. Таганрог, 1987 г.), Всесоюзн. н.-тех. конф. «Методы и средства дистанционного зондирования Земли и обработки космической информации в интересах народного хозяйства» (г. Рязань, 1989 г.), Всесоюзн. н.-тех. семинаре «Разработка системного и прикладного программного обеспечения МВК ПС-2000/2100, ПС-3000/3100» (г.Москва, 1990 г.), 3-й и 4-й Междунар. конф. «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для контроля и диагностики окружающей среды» (г. Москва, 1996 г., 1998 г.), Междунар. конф. «Информационные системы в науке-95» (г. Москва, 1995 г.), Всероссийск. конф. «Новые информационные технологии в научных исследованиях и радиоэлектроники» (г. Рязань, 1996 г.), 1-й, 2-й и 3-й Междунар. н.-тех. конф. «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» (г. Рязань, 1997 г., 1998 г., 2000 г.), Междунар. конф. «Распознавание-97» (г.Курск, 1997г.), 8-м и 10-м Междунар. н.-тех. семинаре «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (г. Рязань, 1999 г., 2001 г.), Всероссийск. конф. «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (г. Рязань, 2001 г., 2002 г.), Междунар. космич. конф. 2001 «Космос без оружия - арена мирового сотрудничества в XXI веке» (г. Москва, 2001 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 80 работ: 41 статья, 1 патент на изобретение, 2 справочных пособия по космическим системам «Ре-cypc-Ol» № 4 и «Метеор-ЗМ» № 1, 35 тезисов докладов на международных и Всероссийских конференциях и семинарах, 1 методическое указание к лабораторному практикуму.
Личный вклад соискателя по опубликованным материалам состоит в следующем: - в работах [14, 18, 19, 24, 86, 99, 120, 122, 192, 195] соискателем предложена общесистемная организация и формальное описание основных технологических операций, выполняемых при межотраслевой обработке аэрокосмической видеоинформации; - в работах [74, 75, 76, 85, 90-92, 119, 121, 124, 125, 129, 130, 149, 155, 156, 167] соискателем разработаны методы и математические модели геометрического и радиометрического обеспечения процессов получения выходных информационных продуктов стандартных уровней обработки, совместно с соавторами выполнены их алгоритмизация и теоретико-экспериментальные исследования; - в работах [47, 73, 96, 97, 102-105, 133, 134, 137, 141, 148, 157-160, 162-166, 169] соискателю принадлежат идеи и математические модели, лежащие в основе процедур комплексирования и координатной привязки изображений по электронным картам; - в публикациях [98, 117, 127, 140, 144-147, 172-174, 180-184, 190-195] соискателем разработаны алгоритмы, структурные решения и информационные технологии, ориентированные на повышение точности, качества и производительности математического и программного обеспечения систем межотраслевой обработки изображений; - работы [123, 126, 128, 131, 139, 142, 143, 168, 175] выполнены без соавторов. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения, которое содержит документы о внедрении и практическом использовании результатов. Общий объем работы составляет 335 стр., в том числе: основное содержание — 260 стр., 85 рисунков, 9 таблиц, список литературы на 21стр. (195 наименований), приложение - 7 стр. Системы дистанционного зондирования Земли предназначены для получения информации об объектах земной поверхности по данным измерений, сделанных на расстоянии. В современных системах ДЗЗ используются фотографические, телевизионные и сканерные средства наблюдений [5, 6]. Далее нас будет интересовать лишь оперативные аэрокосмические системы ДЗЗ ска-нерного типа, которые обеспечивают передачу цифровой видеоинформации на Землю по радиоканалам. Они сравнялись по детальности съемки с неоперативными фотографическими системами, превосходят их по ряду тактико-технических характеристик и в настоящее время доминируют. В настоящее время в мире созданы и успешно эксплуатируются значительное число систем ДЗЗ, главным образом, природно-ресурсной, океанографической и метеорологической ориентации, во многих схожих по идеологии построения и функционирования. В таблице 1.1 представлены характеристики лучших систем ДЗЗ, находящихся в эксплуатации [7-10]. Анализ этих данных позволяет выявить следующие тенденции в развитии систем ДЗЗ. Первая тенденция связана с неуклонным ростом пространственного разрешения сканирующих устройств, что естественным образом расширяет возможности дистанционного зондирования по оценке состояния все более мелких объектов на земной поверхности вплоть до крон отдельных деревьев и зданий. Вторая тенденция связана с получением гиперспектральных данных в видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах спектра с высоким радиометрическим разрешением, на основе которых выявляются разного рода «тонкие» эффекты природных явлений.
Баллистическая модель координатной обработки видеоинформации спутниковых систем ДЗЗ
Анализ рассмотренных в предыдущих разделах задач позволил выявить наиболее узкие места существующих систем межотраслевой обработки. Одновременно с этим системный взгляд на проблему в целом позволяет определить в концептуальном плане дополнительные направления совершенствования математического и программного обеспечения таких систем.
В отечественной практике создание фрагментов систем межотраслевой обработки ведется разрозненно и с ориентацией на конкретные космические проекты. Например, ИРЭ РАН проводил работы в рамках модуля «Природа» ОКС «Мир» [12], в ГКНГТЦ им. М.В.Хруничева ведутся работы в рамках системы «Монитор» [107], в ИКИ создаются системы обработки информации от гидрометеорологических спутников [108]. Поскольку в этих разработках участвуют разные коллективы, то принимаемые ими решения различны, что делает каждый проект уникальным. В то же время создаваемые системы ДЗЗ, отличающиеся по целевому назначению и техническим характеристикам, имеют много общего, поскольку используют родственные по принципу действия сканирующие устройства. Это создает предпосылки для создания унифицированных моделей обработки и единых программных средств, призванных не только широко использовать накопленные научно-технические заделы, и эффективно решать важные практические задачи на основе комплексного использования разнородной спутниковой информации [6, 99, 109].
За рубежом наиболее современные системы межотраслевой обработки изображений земной поверхности созданы в рамках космических проектов Spot, Landsat, Radarsat и др. (это системы ERDAS, ER Mapper, Idrisi, ArcGis) [54, 55]. В них вопросы интеграции решены более разумно. Однако использование этих систем для межотраслевой обработки данных от российских КА затруднительно, поскольку они поддерживают лишь самые простые модели сканирующих датчиков, не обеспечивают полнофункционального решения рассмотренных в пп. 1.2 - 1.5 задач и из-за англофицированного интерфейса крайне неудобны для использования в оперативном режиме работы.
В связи с этим в плане межпроектной унификации первое концептуальное направление создания высокоэффективных систем межотраслевой обработки связано с некритичностью их математического и программного обеспечения по отношению к функциональным и техническим характеристикам различных систем ДЗЗ. 1.6.2 Характерным недостатком отечественных разработок являются час тичные решения задач межотраслевой обработки. Это прежде всего связано с отсутствием замкнутых многофункциональных технологических процессов об работки; неполным составом решаемых при этом задач; отсутствием механиз мов коррекции геодезической привязки, средств оценки точности геометриче ской обработки и радиометрического качества исходных и откорректированных видеоданных; отсутствием средств каталогизации и многофункциональных программных систем визуального анализа и т.п. Поэтому второе концептуаль ное направление повышения эффективности математического и программного обеспечения систем обработки данных ДЗЗ связано с достижением его функ циональной полноты. 1.6.3 Третье концептуальное направление совершенствования систем межотраслевой обработки данных ДЗЗ - это создание математического и про граммного обеспечения, удовлетворяющего современным требованиям потре бителей по видам уровней обработки, точности и качеству получаемых выходных информационных продуктов. 1.6.4 Отмеченная в п. 1.1 тенденция постоянного роста объемов передаваемой на землю от систем ДЗЗ видеоинформации, а также жесткие ограничения на время ее обработки в оперативном технологическом цикле (см. Рисунок 1.2) [18, 19, 24] позволяют сформулировать четвертое концептуальное направление повышения эффективности проектируемых средств обработки. Это -проектирование математического и программного обеспечения межотраслевой обработки, обладающего высокой производительностью и уровнем автоматизации и реализующего обработку свербольших по объемам массивов изображений в темпе их поступления от систем ДЗЗ или с незначительной задержкой. 1.6.5 Выдвинутые концептуальные положения с учетом проблемных вопросов, возникающих при геометрических и радиометрических преобразованиях, координатной привязке и комплексировании спектрозональных изображений, определяют конкретные задачи исследований, составляющие основу математического и программного обеспечения систем обработки данных ДЗЗ (Рисунок 1.12 ). К их числу относятся: разработка унифицированных моделей геометрической обработки аэрокосмических изображений, наиболее полно и точно описывающих весь спектр детерминированных искажающих факторов, присущих дистанционной съемке, и обеспечивающих высокоскоростной синтез выходных информационных продуктов и их метрологическую аттестацию; разработка математического обеспечения координатной привязки спутниковых видеоданных по электронным картам, предназначенного для уточнения геометрических моделей и устранения случайных искажающих факторов в ходе оперативной обработки целых маршрутов съемки и прецизионной коррекции отдельных кадров и основанного на автоматическом сопоставлении одноименных сюжетов на векторной электронной карте и растровом изображении.
Информационная технология пространственной привязки видеоинформации по электронным картам
Поскольку потребителей спутниковых изображений интересуют измерительные качества получаемых информационных продуктов, то при проектировании моделей и программного обеспечения геометрической обработки принципиальное значение имеет решение двух групп метрологических вопросов:
1) какова геометрическая точность отображения элементов земной поверхности на преобразованных изображениях, что даёт процесс обработки в смысле повышения точности, какие основные факторы вносят погрешность в процесс геометрического трансформирования;
2) как оценить адекватность моделей и погрешность, вносимую собственно программным обеспечением, т.е. какой должна быть методика его испытаний.
Постановка вопросов первой группы не нова. В математической картографии хорошо изучены вопросы оценки искажений длин, площадей и углов при отображении земной поверхности в той или иной картографической проекции. В последние годы выполнен ряд исследований в области оценки геометрических искажений для сканерных видеоинформационных систем. Например, хорошо известны публикации в этой области В.И.Хижниченко, А.М.Вингарта, Ю.С.Тюфлина и др. [42, 43]. В их работах развит аналитический подход к оценке геометрической точности сканерной съёмки поверхности Земли, который приводит к весьма сложным математическим выражениям, зависящим от типа датчика, вида картографической проекции, выбора системы координат и ряда других факторов. К сожалению, он не позволяет одновременно решить две группы перечисленных вопросов.
Рассматриваемая ниже методика [117] основана на численных методах и в отличие от известных аналитических подходов инвариантна к видам математических моделей геометрического обеспечения и позволяет оценить как адекватность этих моделей, так и корректность их программной реализации, т.е. комплексно решить обе группы метрологических вопросов.
Математические модели, описываемые выражениями (2.21), позволяют последовательно для каждого элемента исходного изображения с координатами (т,п) рассчитать геоцентрические (Xr,Yr,Zr) соответствующей точки на земной поверхности, а по ним картографические координаты (х,у) на преобразованном изображении. Все эти вычисления осуществляются на основе различных входных данных (параметры орбитального прогноза, задаваемые вектором т\ (tH), геометрические характеристики датчиков вектор г, установочные и текущие элементы ориентации - матрица А0и др.), которые опишем переменной є;-, і = 1,1. Эти параметры характеризуются номинальными значениями гні и среднеквадратическим отклонением а,-, т.е. задаются с некоторой погрешностью и вносят искажения в расчёты (Рисунок 2.15). Опишем связь между координатами (т,п) и (х,у) с учётом действия параметров Б,, і = 1,1 функциями x = GXB(m,n,Zj), = G (m,«,s/), где для простоты не перечисляются все параметры Б,,Є2 ...,Є/? а указан произвольный параметр /. Положим, что при номинальных значениях всех искажающих параметров є, = є„ реализуется математическая модель, которая верно отражает реальные координатные преобразования. При наличии искажающего действия параметров є, =є„ + Дє;прежним значениям координат {т,п) будут соответствовать искаженные координаты точки на земной поверхности Xr,Yr,ZrJ и на карте \х ,у }. Оценим влияние искажающих факторов на точность картографической привязки, искажений длин, площадей и углов. Для оценки точности картографической привязки запишем очевидные соотношения.
Коррекция искажений средней яркости по полю изображения
Во втором разделе были получены аналитические соотношения (2.20) и (2.21), позволяющие установить для каждого пиксела исходного снимка В его геодезические и картографические координаты или, иными словами, выполнить его координатную привязку. Расчеты, представленные в таблице 2.1 показывают , что эти модели адекватно описывают процесс координатных преобразований и позволяют достичь высокой точности обработки при соответствующей точности задания входных параметров є,. Однако на практике в отдельных случаях из-за ошибок задания входных параметров требуемая точность не обеспечивается. В результате проведенного анализа установлено, что основными источниками грубых ошибок являются погрешности орбитального прогноза, описываемого вектором t\{tH) и уточняемого по данным радиоконтрольных измерений один раз в три дня или две недели, а также неточности измерения элементов ориентации датчика и спутника. Так, например, в космических системах «Pecypc-Ol», «Океан-О» и «Метеор-ЗМ» погрешности орбитального прогноза вызывают рассогласования в расчетах геодезических координат, достигают 50 км и более. В системах «Pecypc-Ol» и «Метеор-ЗМ» зачастую наблюдаются несоответствия планируемых и реальных углов отворота зеркала датчика МСУ-Э по крену, а в системе «Океан-О» и «Агрос» вообще отсутствует телеметрическая информация о текущей ориентации носителя [126, 132].
Ошибки координатной привязки крайне негативно сказываются при создании электронных каталогов для архивов принятой космической информации, поскольку она не может быть адресно размещена в базе данных, а также при формировании выходных информационных продуктов уровней обработки 0-1 Б. В этой связи возникает настоятельная необходимость в поиске новых технологических решений, позволяющих повысить точность координатной привязки видеоинформации во время архивации и каталогизации, а также при генерации для потребителей выходных информационных продуктов.
Из анализа отечественных и зарубежных систем обработки спутниковых изображений установлено, что для корректной работы с каталогом и архивом видеоданных необходимо обеспечивать оперативную пространственную привязку протяженных маршрутов съемки с точностью не хуже 4-5 км. На этапе же обработки отдельных кадров требуется обеспечить прецизионную пространственную привязку снимков, сопоставимую с точностью используемой картографической основы и разрешения на местности исходного изображения [24].
На рисунке (Рисунок 3.1) представлена укрупненная схема, реализующая информационную технологию пространственной привязки сканерных космических изображений по электронным картам. Ее отличительными особенностями являются: согласованность с технологическими процессами, представленными на рисунке (Рисунок 1.2); высокая оперативность и точность привязки на различных стадиях обработки видеоданных; высокий уровень автоматизации за счет использования в качестве картографической основы векторных ЭК и автоматического формирования на их основе множества ОТМ. Задачей первого технологического этапа является устранение грубых погрешностей привязки всего маршрута съемки, вызванных ошибками баллистического прогноза и несоответствием планируемой и реальной ориентации датчика, с целью достижения требуемой точности каталогизации видеоданных. Для этого протяженный маршрут в сжатом виде отображается на фоне ЭК. Затем оператором определяются несколько ОТМ на изображении и на карте. По их рассогласованию вычисляется вектор поправок к орбитальному прогнозу Arj или вектор поправок к элементам ориентации А9, снижающие начальные отклонения в положении снимка относительно карты. Далее выполняется автоматическое уточнение координат ОТМ. Для этого фрагменты ЭК, содержащие ОТМ, совмещаются с аналогичными участками исходного изображения. С помощью метода корреляционного экстремального анализа определяются более точные координаты ОТМ и по ним рассчитываются окончательные значения одного из поправочных векторов. После этого маршрут каталогизируется и помещается в архив. На втором этапе выполняется прецизионная географическая привязка уже отдельных кадров, в ходе которой устраняются остаточные и неподдающиеся аналитическому описанию геометрические искажения. Дополнительные корректирующие зависимости полиномиального вида определяются регрессионными методами на основе множества ОТМ, представленных в системе координат исходного снимка. При этом поиск ОТМ осуществляется автоматически на основе сопоставления одноименных сюжетов изображения и ЭК. Нетрудно видеть, что реализация предлагаемой технологии предполагает решение следующих основных задач: - оперативное и высокоточное отображение протяженных маршрутов на фоне векторных ЭК; - нанесение опорной картографической информации, содержащейся в ЭК , на исходные изображения; - уточнение орбитальных параметров и элементов ориентации; - построение модели прецизионной геометрической коррекции и координатной привязки. Рассмотрим последовательно алгоритмы решения этих задач.
